Os computadores quânticos têm o potencial de transformar campos da física à criptografia, mas hoje são extremamente difíceis de construir e operar. Um dos maiores desafios vem da decoerência, um processo que introduz erros em sistemas quânticos. Esses erros geralmente assumem a forma de inversões de bits ou inversões de fase. Uma inversão de bits ocorre quando um qubit alterna inesperadamente entre ‘0’ e ‘1’. Uma mudança de fase ocorre quando a fase de uma superposição quântica inverte repentinamente, mudando de positiva para negativa.
Como essas alterações podem ocorrer aleatoriamente, até mesmo um único erro pode atrapalhar o cálculo. Prevenir essa interrupção é um dos problemas centrais enfrentados pelos engenheiros quânticos.
Protegendo dados com qubits lógicos
Para reduzir esses erros, os pesquisadores combinam muitos qubits físicos em um único qubit lógico e aplicam correção contínua de erros. Essa técnica ajuda a armazenar informações quânticas ao longo do tempo, tornando o armazenamento relativamente estável. Mas armazenar informações é apenas parte da tarefa. Para executar algoritmos quânticos, os qubits devem ser manipulados ativamente usando portas quânticas, as operações fundamentais que alimentam a computação quântica.
Implementar essas operações sem introduzir novos defeitos tem se mostrado muito mais difícil do que simplesmente manter os qubits estáveis em repouso.
Uma nova maneira de calcular o tempo de correção de erros
Uma equipe liderada pelo professor Andreas Wallraff do D-PHYS demonstrou agora um método que aborda diretamente esse problema. Trabalhando com pesquisadores do Instituto Paul Scherer (PSI) e teóricos liderados pelo professor Markus Müller da RWTH Aachen University e Forschungszentrum Julich, o grupo mostrou como realizar operações quânticas entre qubits lógicos supercondutores enquanto corrige erros ao mesmo tempo. Seus resultados foram publicados recentemente Física da Natureza.
O trabalho marca um avanço importante em direção à computação quântica tolerante a falhas, onde os cálculos podem continuar sem serem prejudicados por erros.
Por que a correção quântica de erros é diferente?
A correção de erros em computadores clássicos depende da cópia de informações. Vários bits idênticos podem ser armazenados, verificados e comparados posteriormente. Se alguém virar, a votação da maioria revela o valor correto. Este método não funciona em sistemas quânticos.
“Com qubits, as coisas são muito mais complicadas”, disse a Dra. Ilia Besedin, pesquisadora de pós-doutorado no grupo de Wallraf e co-autora principal do estudo com o estudante de doutorado Michael Kirschbaum. A informação quântica não pode ser copiada ou clonada. Em vez disso, ele deve ser distribuído pelos qubits emaranhados. Afinal, os sistemas quânticos sofrem de erros de inversão de fase, que não têm equivalente na computação clássica e requerem métodos de correção próprios.
Correção de erros com código de superfície
Uma solução amplamente utilizada envolve código de superfície. Neste método, as informações de um único qubit são espalhadas por diferentes qubits de dados físicos. A detecção de erros depende de medições repetidas de estabilizadores, que funcionam junto com qubits de dados para formar qubits lógicos.
Esses estabilizadores são monitorados usando qubits adicionais conectados ao qubit de dados. A medição desses mostra se há uma mudança de bit ou de fase na verificação. Os estabilizadores do tipo Z detectam alterações no valor dos bits, enquanto os estabilizadores do tipo X detectam alterações de fase. É importante ressaltar que os qubits de dados nunca são medidos diretamente, permitindo-lhes armazenar estados quânticos com precisão.
O desafio de realizar operações lógicas
O processo se torna mais complicado quando os pesquisadores desejam implementar uma operação lógica, como uma porta de nó controlado entre dois qubits lógicos. Podem ocorrer erros durante a operação em si e esses erros também precisam ser corrigidos.
“Realizar uma operação lógica desta forma tolerante a falhas seria relativamente fácil se pudéssemos mover nossos qubits e conectá-los entre si arbitrariamente”, disse Kirschbaum. Nos processadores quânticos supercondutores, entretanto, os qubits são fixos. Apenas qubits vizinhos podem interagir, o que limita a forma como as operações podem ser realizadas.
Dividindo o quadrado com cirurgia em treliça
Para trabalhar dentro dessas limitações, a equipe recorreu a um procedimento conhecido como cirurgia em treliça. Em seus experimentos, os pesquisadores começaram com um único qubit lógico codificado em dezessete qubits físicos. Os qubits de dados e estabilizadores foram organizados em um padrão aproximadamente quadrado. Ao longo de vários ciclos, os estabilizadores foram medidos a cada 1,66 microssegundos para corrigir mudanças de bits e de fase.
Em um momento crítico, três qubits de dados que passam pelo centro do quadrado foram medidos. Esta etapa dividiu efetivamente o código de superfície em duas metades separadas. Ao mesmo tempo, as medições dos estabilizadores do tipo X foram descontinuadas.
“O resultado final desta operação foi que nossos dois qubits lógicos ficaram emaranhados”, explicou Besedin. Durante o processo de fragmentação, os erros de inversão de bits continuaram a ser corrigidos. Mais tarde, cada metade reinicia independentemente para corrigir o erro de inversão de bits. Embora esta operação ainda não produza uma porta de nó controlado por si só, ela pode ser combinada com etapas adicionais de divisão e combinação para produzir uma.
Uma inovação em qubits supercondutores
“Poderíamos dizer que a cirurgia em treliça é a operação, e tudo o mais pode ser construído a partir dela”, diz Besedin.
“Até onde sabemos, esta é a primeira vez que uma cirurgia de rede foi realizada em qubits supercondutores”, acrescenta ele, “e ainda temos um longo caminho a percorrer. Por exemplo, uma operação de divisão em um qubit lógico exigiria 41 qubits físicos para estabilizar mesmo contra inversões de fase. No entanto, isso é estável em qubits supercondutores. Os qubits são uma meta ambiciosa de construir computadores quânticos úteis com milhares de qubits. Identifica etapas importantes
